烏東德水電站特高拱壩全壩無蓋重固結灌漿技術研究與應用

王漢輝，丁 剛，陳 亮，潘洪月

（1. 長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2. 長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010；3. 中國三峽建工（集團）有限公司，四川 成都 610094）

0 引 言

隨著我國水電開發(fā)往西南高山峽谷地區(qū)轉移，拱壩以其適應峽谷地形、超載能力強、安全度高、混凝土用量少的特點被廣泛采用。拱壩承受的水荷載主要通過拱端傳遞給壩肩山體［1］，其建基巖體加固質量是保證拱壩穩(wěn)定安全的關鍵。高拱壩建基巖體一般選擇Ⅱ級～Ⅲ1級巖體，局部為Ⅲ2級巖體，但是建基面難免存在一定數(shù)量的原生裂隙，以及開挖產生的爆破卸荷裂隙。因此，有必要對建基巖體進行固結灌漿處理，以提高建基巖體強度和剛度，減少壩基不均勻變形，增強壩基淺層抗?jié)B性。

固結灌漿一般分為有混凝土蓋重和無混凝土蓋重兩種方式。有蓋重灌漿是在壩體混凝土澆筑高度不少于3 m 后，在混凝土倉面上進行鉆孔灌漿，其優(yōu)點是能夠利用混凝土蓋重對表層裂隙進行封閉并提高灌漿壓力，灌漿效果有保證；但其缺點是，既占用壩體混凝土澆筑的直線工期，又可能因倉面長間歇造成壩體混凝土開裂，且鉆孔時容易打斷壩體中的冷卻水管等預埋件，還可能導致岸坡接觸灌漿管路被漿液堵塞。無蓋重灌漿是在基巖面上直接進行鉆孔灌漿施工，其工序完成于混凝土澆筑之前，不會對混凝土澆筑和岸坡接觸灌漿產生干擾。

高拱壩一般壩段較少，用于調配混凝土澆筑施工的倉面數(shù)量少，有蓋重固結灌漿施工與混凝土澆筑干擾問題尤為突出。為解決有蓋重固結灌漿與混凝土澆筑干擾的問題，目前高拱壩壩基固結灌漿方式由傳統(tǒng)單一的有蓋重固結灌漿方式逐漸轉變?yōu)闊o蓋重+有蓋重的組合灌漿方式，由此緩解固結灌漿與混凝土澆筑之間的矛盾。

二灘水電站采用無蓋重+表層有蓋重引管灌漿［2，3］；烏江構皮灘水電站壩基采用裸巖裂隙封閉無蓋重灌漿為主，局部采用有蓋重灌漿的方式［4，5］；拉西瓦水電站孔口2 m 以下采用無蓋重灌漿，孔口2 m 以上采用有蓋重引管灌漿［6，7］；錦屏水電站河床及緩坡壩段采用無蓋重灌漿+有蓋重灌漿補強，岸坡壩段采用無蓋重+引管灌漿［8，9］；金沙江溪洛渡水電站河床壩段采用有蓋重灌漿，緩坡壩段采用無蓋重+有蓋重灌漿，陡坡壩段采用無蓋重+引管灌漿［10，11］。以上高拱壩無蓋重灌漿均存在第一段灌漿壓力較低、灌漿效果難以保證的問題，均需要采用有蓋重灌漿或引管灌漿進行補強處理。

本文通過分析烏東德水電站固結灌漿特點，研究其壩基開挖后的松弛特征，通過室內材料試驗和現(xiàn)場灌漿試驗，研發(fā)了裸巖裂隙封閉材料和工藝，提出了全壩無蓋重固結灌漿成套技術，并在烏東德水電站特高拱壩成功應用。

1 烏東德水電站固結灌漿特點

烏東德水電站裝機容量10 200 MW，水庫總庫容74.08 億m3，為大（1）型Ⅰ等工程，由擋水、泄水、引水發(fā)電等建筑物組成。混凝土雙曲拱壩高度為270 m，包含岸坡1～5 號、10～15號壩段和河床6～9 號共15 個壩段。建基巖體主要為灰?guī)r，右岸局部為白云巖，巖體質量優(yōu)良，Ⅱ級占97%，Ⅲ1級占3%。

烏東德水電站河谷狹窄陡峻，寬高比僅0.9～1.1，兩岸坡度達60°～75°，壩體混凝土澆筑倉面狹窄，陡坡壩段（50°以上）建基面需預埋接觸灌漿管路，若采用有蓋重固結灌漿方式，則存在灌漿施工長時間占壓混凝土澆筑倉面，以及灌漿漿液可能堵塞接觸灌漿管路的問題［12］。若采用無蓋重灌漿可以解決與以上干擾難題，但是烏東德水電站特高拱壩存在如下問題:

（1）烏東德水電站大壩兩岸拱肩槽邊坡高陡，建基巖體開挖爆破卸荷裂隙是固結灌漿處理的重點，有必要研究建基巖體開挖卸荷特征。

（2）烏東德水電站特高拱壩荷載巨大，壩基固結灌漿處理質量標準高。傳統(tǒng)的無蓋重灌漿第一段壓力低，一般為0.2～0.5 MPa，灌漿效果差，難以滿足質量標準，有必要研究高效的裸巖裂隙封閉材料和工藝。

（3）烏東德水電站大壩建基面除了存在爆破裂隙外，還存在規(guī)模較大的不利結構面，有必要研究適用于不同寬度裂隙的封閉方法。

（4）烏東德水電站特高拱壩基巖固結灌漿在拱肩邊坡實施，坡面高陡，傳統(tǒng)的抬動變形觀測裝置只適用于鉛直向下灌漿抬動變形觀測，有必要研究任意方向灌漿抬動變形觀測裝置。

2 壩基開挖松弛特征研究

2.1 開挖卸荷回彈影響分析

烏東德水電站壩址處邊坡高陡，壩址區(qū)地應力測試成果表明，近岸岸坡區(qū)地應力量值總體上屬于低～中等地應力水平，首先根據(jù)實測地應力數(shù)據(jù)對兩岸壩肩邊坡地應力場進行反演，然后采用FLAC3D軟件建立三維模型并進行數(shù)值計算分析，計算時模擬邊坡開挖過程，并考慮地層層面對開挖卸荷深度的影響，主要計算內容如下:①根據(jù)地應力測試結果反演地應力場空間分布特征，得到兩岸邊坡的初始地應力；②模擬拱肩槽邊坡的開挖施工過程，研究邊坡巖體在開挖卸荷過程中的變形響應規(guī)律、塑性區(qū)分布特征。拱肩槽邊坡三維數(shù)值計算模型見圖1。

圖1 拱肩槽邊坡三維數(shù)值計算模型圖Fig.1 Three dimensional numerical calculation model of arch shoulder groove slope

拱肩槽邊坡開挖后塑性區(qū)分布見圖2。可以看出，左岸拱肩槽邊坡開挖完成后坡體以略斜向上且朝向邊坡臨空面外的變形為主，整體上順河向變形大于鉛直向和橫河向變形。最大開挖合變形約為38.5 mm，發(fā)生在上游橫河向邊坡EL795 高程附近。正面邊坡EL795 高程以上以水平指向上游的變形為主，EL795 高程以下則逐漸以向上的卸荷回彈變形為主，變形最大值發(fā)生在EL765 部位，量值約為16.8 mm；正面邊坡順河向變形最大11.0 mm，發(fā)生在EL795 高程部位，橫河向變形最大約為10.7 mm，發(fā)生在EL750 高程部位，鉛直向變形最大約為12.8 mm。考慮地層層面對開挖卸荷深度的影響，上游橫河向邊坡、下游邊坡累計開挖變形增大明顯，正面邊坡變形增幅較小，一般小于3.0 mm。

圖2 拱肩槽邊坡開挖后塑性區(qū)分布圖Fig.2 distribution of plastic zone after excavation of slope of arch shoulder groove

拱肩槽邊坡開挖后典型剖面塑性區(qū)見圖3。邊坡開挖完成后，正面邊坡L1-1'剖面塑性區(qū)一般分布在開挖面淺表層，深度不超過2 m，以剪切屈服為主；上游側向邊坡L2-2'剖面塑性區(qū)分布在開挖面淺表層，深度一般在3～5 m 之間；上游橫河向邊坡L3-3'剖面塑性區(qū)主要位于開挖坡表卸荷巖體內，分布范圍較廣，深度一般在10 m左右。

圖3 拱肩槽邊坡開挖后典型剖面塑性區(qū)圖Fig.3 Plastic zone of typical section after excavation of arch shoulder groove slope

2.2 開挖爆破影響分析

爆破對孔底以下巖體的影響主要與裝藥直徑有直接的關系，根據(jù)以往的試驗資料及工程經驗，孔底爆破影響深度為20～40 倍藥包直徑。臺階爆破如采用70 mm 的藥卷直徑，其藥包底部爆破垂直影響深度約為1.4～2.8 m。灰?guī)r底部爆破垂直影響深度一般為30倍左右藥包直徑，且爆破藥卷直徑不能無限制減小，過小的藥卷直徑會造成傳遞爆轟時殉爆，從而發(fā)生爆破事故。

2.3 聲波檢測結果

烏東德水電站大壩建基巖體不同深度波速分布見圖4。可以看出，單孔聲波波速小于4 500 m/s的低波速區(qū)主要位于深度1 m以內，聲波波速小于5 000 m/s的低波速區(qū)主要位于深度3 m以內。大壩建基淺層巖體爆破卸荷裂隙發(fā)育，巖體質量差，是需要進行固結灌漿處理的重點部位。

圖4 大壩建基巖體不同深度波速分布圖Fig.4 Wave velocity distribution at different depths of dam foundation rock mass

3 裸巖裂隙封閉材料與工藝研究

3.1 裸巖無蓋重固結灌漿存在的問題

傳統(tǒng)砂漿嵌縫等方法對表層裂隙的封閉效果差，灌漿過程中巖體裂隙易被灌漿壓力擊穿，需要反復待凝進行處理，且表面冒漿嚴重，施工作業(yè)環(huán)境差。為此，針對建基巖體表面不同寬度的裂隙，研發(fā)了高效的裸巖裂隙封閉材料和工藝。

3.2 裂隙封閉材料研究

高性能裂隙封閉材料是無蓋重固結灌漿成敗的關鍵，良好裂隙封閉材料應具備流動性適宜、凝結時間較短、便于操作、固化物力學強度高、與基巖黏接強度高、抗?jié)B性強的特點。經過系統(tǒng)調研，重點對CW 系列聚合物基快硬水泥材料和改性環(huán)氧膠泥材料進行研究。

通過裂隙封閉材料性能測試、室內抗?jié)B模擬等多種手段，對初凝（操作）時間、終凝（固化）時間、抗壓強度、抗折強度、劈拉強度、砂漿試件對黏抗拉強度、抗?jié)B壓力等進行了研究。新型高性能基巖裂隙封閉材料室內試驗見圖5，研制出的聚合物基快硬水泥和改性環(huán)氧膠泥性能指標見表1。

表1 聚合物基快硬水泥和改性環(huán)氧膠泥指標表Tab.1 Index of polymer based quick hardening cement and Modified Epoxy Mastic

圖5 新型高性能基巖裂隙封閉材料室內試驗Fig.5 Indoor test of new high performance bedrockfissure sealing material

通過現(xiàn)場試驗研究發(fā)現(xiàn)，聚合物基快硬水泥對不同寬度裂隙的封閉效果有差別，用于較寬裂隙（＞2 mm）能承受壓力相對較低（＜0.6 MPa），用于細裂隙（≤2 mm）可承受壓力較大（最大0.9 MPa），推薦涂刷厚度為3 cm。

改性環(huán)氧膠泥對不同寬度裂隙的封閉效果均較好，用于細裂隙（＜2 mm）可承受壓力約1.2 MPa，用于較寬裂隙（≥2 mm）可承受壓力約1.0 MPa，推薦涂刷厚度為1 cm。

3.3 裂隙封閉工藝研究

通過現(xiàn)場工藝試驗，采用的裂隙封閉施工步驟為:裂隙清理→涂刷封閉材料→灌前預壓水檢查。

聚合物基快硬水泥涂刷厚度為3 cm，裂隙兩側寬度為4 cm；改性環(huán)氧膠泥涂刷厚度為1 cm，裂隙兩側寬度為3 cm。應沿裂隙用力涂刷封閉材料，裂隙較大時應自內向外分層涂刷。典型裂隙（ZTf1）采用改性環(huán)氧膠泥封閉前后照片見圖6。聚合物基快硬水泥需養(yǎng)護不少于2 h，改性環(huán)氧膠泥需養(yǎng)護不少于24 h，待達到養(yǎng)護時間后，再進行預壓水試驗，以便對漏水處采用采用聚合物基快硬水泥進行封閉，直至無外漏后，方可開展后續(xù)壓水和灌漿施工。

圖6 典型裂隙封閉前后照片F(xiàn)ig.6 Photos of typical fractures before and after sealing

3.4 裂隙封閉效果分析

為試驗不同材料的裂隙封閉效果，對不同試驗區(qū)分別采用聚合物基快硬水泥和改性環(huán)氧膠泥行封閉。第一段灌漿壓力分序升壓，Ⅰ序孔0.7 MPa，Ⅱ序孔0.8 MPa，Ⅲ序孔0.9 MPa，Ⅳ序孔1.0 MPa。

灌漿過程中僅少量裂隙出現(xiàn)外漏現(xiàn)象，外漏點均位于裂隙漏封處，未發(fā)現(xiàn)擊穿封閉材料外漏的現(xiàn)象，說明兩種材料均有良好的裂隙封閉效果。改性環(huán)氧膠泥與聚合物基快硬水泥二者復合試驗表明，可結合兩種材料的優(yōu)點進行裂隙封閉，先用改性環(huán)氧膠泥封閉裂隙，灌漿時若發(fā)現(xiàn)滲水點，可使用聚合物基快硬水泥對滲水部位再次進行即時封堵，封堵后30 min 即可繼續(xù)灌漿。

由于改性環(huán)氧膠泥封閉材料黏度較大，為防止封閉施工時形成架空，可在巖面沿裂隙走向鑿槽，通過抹壓等手段使材料盡可能進入裂隙內部，達到較好的封閉效果。

4 全壩無蓋重固結灌漿成套技術

4.1 混凝土高壩全壩無蓋重固結灌漿方法

根據(jù)高拱壩固結灌漿的特點，提出了“表封閉、淺加密、深升壓、少引管”全壩無蓋重固結灌漿方法［13］。“表封閉”即采用封閉材料對建基巖面張開裂隙進行處理，防止灌漿過程出現(xiàn)漿液外漏、難以升壓等問題；“淺加密”即加密淺層巖體（深度3 m 以上巖體）固結灌漿孔，通過加密灌漿孔間距以解決漿液擴散范圍有限的問題，提高淺層巖體的灌漿效果；“深升壓”即對深度3 m 以下巖體采用較高的灌漿壓力，利用上部已灌漿淺層巖體的蓋重和封閉作用，盡量提升深部灌漿壓力，以擴大漿液的擴散范圍，提高深部巖體灌漿效果；淺層巖體固結灌漿時，需要在孔口設置灌漿塞（長度一般不小于30 cm）以提升灌漿壓力，表層灌漿塞部位30 cm 厚巖體灌漿效果較差，“少引管”即針對表層30 cm 灌漿塞部位巖體，待混凝土澆筑到一定高度后，采用引管灌漿進行處理，陡坡壩段（大于50°）可直接利用接觸灌漿管路，不需單獨預埋引管管路。全壩無倉面固結灌漿方法示意見圖7。本方法不僅保證了壩基固結灌漿質量，而且完全不占壓混凝土倉面，避免了與混凝土澆筑和岸坡接觸灌漿的一系列干擾問題，大幅降低了施工難度。

圖7 全壩無倉面固結灌漿方法示意Fig.7 Schematic diagram of consolidation grouting method for the whole dam without silo surface

4.2 建基巖體表面裂隙高效封閉成套技術

（1）新型高性能基巖裂隙封閉材料。通過前述室內試驗及材料性能優(yōu)化研究，研發(fā)了新型高性能基巖裂隙封閉材料，包含改性環(huán)氧膠泥和聚合物基快硬水泥材料。兩種新型裂隙封閉材料均具有操作簡單、凝結速度快、抗?jié)B性能好等優(yōu)點。

細小裂隙（寬度＜2 mm）可采用聚合物基快硬水泥，初凝時間5 min，抗?jié)B壓力大于1.5 MPa。較寬裂隙（2 mm≤寬度＜10 mm）可采用改性環(huán)氧膠泥，初凝時間8～10 min，抗?jié)B壓力大于1.5 MPa。

（2）寬大裂隙“外封堵內填充”封閉結構。針對建基巖體寬大裂隙（寬度≥10 mm），提出了“外封堵內填充”的封閉結構［14］。外部封堵層一般采用聚合物基快硬水泥對裂隙進行預封閉，可在后續(xù)靜壓注漿填充內部空隙時形成外部“模板”作用。內部填充體是通過靜壓注漿方式，利用漿液自重及本身良好的流動性來填充裂隙的內部空隙，并與裂隙兩側巖面緊密結合。“外封堵內填充”的巖體裂隙封閉結構見圖8。

圖8 “外封堵內填充”的巖體裂隙封閉結構Fig.8 Rock mass fissure sealing structure of ＂external sealing and internal filling＂

（3）裸巖裂隙封閉新工藝。為有效提高裂隙封閉質量，提出了“裂隙清理→涂刷封閉材料→預壓水檢查”的裸巖裂隙灌前封閉工藝，先采用高壓水沖洗基巖面，將裂隙內充填物沖洗干凈后，再沿裂隙涂刷封閉材料，達到養(yǎng)護時間后即可進行預壓水檢查，發(fā)現(xiàn)外漏后及時對裂隙采用聚合物基快硬水泥進行封堵，直至無外漏后，再進行后續(xù)壓水和灌漿施工。

4.3 無蓋重固結灌漿抬動觀測新方法

在高拱壩壩基無蓋重固結灌漿時，若發(fā)生巖體抬動變形而未得到有效監(jiān)測和處理，不僅會影響灌漿質量，甚至可能造成坡面局部巖體失穩(wěn)，影響施工安全。傳統(tǒng)的抬動變形觀測裝置和方法只適用于混凝土水平倉面上灌漿抬動變形觀測，無法適應于拱壩兩岸陡坡壩段建基面上灌漿抬動變形觀測。

針對高拱壩基巖固結灌漿抬動變形觀測要求，研發(fā)了任意方向灌漿抬動變形觀測裝置［15］，通過在測桿孔底焊接圓形鋼板，在鋼板上纏繞防滲土工膜形成止?jié){塞，測桿為中空結構，圓形鋼板以內的測桿設置花管段，可向任何角度鉆孔孔底注入水泥漿液，以形成牢靠的錨固段；套管外側纏繞防滲土工膜作為隔漿體，以避免內測桿、外套管間的間隙被漿液充填，保證測桿不受灌漿影響；在孔口測桿上安裝激光傳感器（或千分表），以觀測巖體的抬動變形。任意方向灌漿抬動變形觀測裝置見圖9。

圖9 任意方向灌漿抬動變形觀測裝置示意Fig.9 Schematic diagram of grouting lifting deformation observation device in any direction

5 全壩無蓋重固結灌漿技術應用

5.1 烏東德水電站大壩全壩無蓋重固結灌漿方案

烏東德水電站大壩固結灌漿范圍為全壩基，并向壩基上游延伸5 m，向壩基下游延伸10 m。灌漿孔深為13～15 m，梅花形布置，Ⅱ級巖體孔排距為3 m×3 m，Ⅲ級巖體孔排距為2.5 m×2.5 m，局部加密至2.5 m×1.25 m。灌漿分段為:第一段3 m，第二段及以下各段5 m。灌漿壓力為:第一段0.7～1.0 MPa，第二段1.0～1.2 MPa，第三段2.0～2.5 MPa。

5.2 全壩無蓋重固結灌漿施工

烏東德水電站大壩全壩基采用無蓋重固結灌漿工藝，按左岸岸坡、河床壩段、右岸岸坡分別進行了灌前壓水試驗和固結灌漿分序成果統(tǒng)計，總體均呈逐序遞減趨勢，灌漿過程中漿液外漏情況均得以有效處理，兩岸陡傾坡面抬動問題得到有效監(jiān)控。

左岸岸坡壩段I、II、III、IV 序孔灌漿平均透水率為30.90、12.17、4.28、1.58 Lu，單位注入量為69.09、19.85、14.60、6.22 kg/m。河床壩段I、II、III、IV 序孔灌漿平均透水率為85.56、22.58、4.65、2.08 Lu，單位注入量為105.88、60.11、27.98、12.57 kg/m。右岸岸坡壩段I、II、III、IV 序孔灌漿平均透水率為18.33、3.79、7.44、0.82 Lu，單位注入量為41.98、15.28、9.20、3.14 kg/m。

5.3 全壩無蓋重固結灌漿效果

（1）壓水檢查成果。大壩岸坡1～5 號、10～15 號壩段檢查全部合格，無蓋重固結灌漿效果優(yōu)良。大壩河床6～9號壓水檢查少量孔段不合格，主要原因為壓水前大壩建基面清理過程中裂隙封閉材料被清除，壓水檢查時部分孔段發(fā)生外漏，實際不合格孔段更少。針對不合格孔段進行引管補灌后，壓水檢查滿足合格標準。

（2）聲波測試成果。大壩1～15 號壩段聲波測試成果見表2。淺部3 m 以上單孔聲波平均值Vp灌前為4 818 m/s，灌后為5 350 m/s，低波速區(qū)（小于4 500 m/s）占比灌前為29.6%，灌后為3.5%。深部3 m 以下單孔聲波平均值Vp灌前為5 492 m/s，灌后為5 791 m/s，低波速區(qū)（小于4 700 m/s）占比灌前為7.6%，灌后為1.1%。灌后聲波測試全部滿足合格標準，表明無蓋重固結灌漿效果良好。

表2 1～15號壩段聲波測試成果表Tab.2 Acoustic wave test results of 1～15 # dam sections

5.4 無蓋重固結灌漿工期效益

無蓋重固結灌漿占用的直線工期僅為混凝土澆筑施工前河床7～9號壩段及緩坡6號壩段的無蓋重灌漿時段，工期約1個月；其余部位均不占用混凝土澆筑的直線工期。若本工程采用常規(guī)的有蓋重固結灌漿，受混凝土間歇期不能過長能因素的限制，有蓋重固結灌漿施工至少需要“三進三出”混凝土澆筑倉面，其對工程直線工期的影響將達4個月。可見，烏東德水電站采用無蓋重固結灌漿技術，工期效益明顯，可節(jié)省直線工期3個月以上。

6 結 語

（1）新型高強度裂隙封閉材料和建基巖體裂隙封閉工藝，有效解決了裸巖裂隙的封閉難題，為無蓋重固結灌漿提升灌漿壓力、保證灌漿質量提供了重要基礎。

（2）“表封閉、淺加密、深升壓、少引管”全壩無蓋重固結灌漿方法，經過現(xiàn)場固結灌漿試驗和壩基固結灌漿實踐，可滿足大壩基巖固結灌漿質量要求，灌漿效果優(yōu)良。

（3）任意方向灌漿抬動變形觀測裝置和方法，可有效監(jiān)控高拱壩無蓋重固結灌漿中的建基巖體抬動變形，結合岸坡塊體及傾坡外裂隙的錨固措施，可降低高拱壩兩岸陡坡壩段無蓋重固結灌漿施工安全風險。

（4）項目依托烏東德水電站，成功應用了特高拱壩全壩無蓋重固結灌漿技術，既保證了無蓋重固結灌漿質量，又避免了與混凝土澆筑、岸坡接觸灌漿之間的相互干擾，為300 m級特高拱壩建設和烏東德水電站如期蓄水發(fā)電創(chuàng)造了非常有利的條件。